News: Das U im Flug
Auch wenn es nicht so aussieht, Fliegen ist auch für Vögel harte Arbeit. Wie hart es ist, lässt sich aufgrund eines aerodynamischen Modells sogar vorhersagen.
© Bret Tobalske, University of Portland (Ausschnitt)
Seit jeher blickt der Mensch neidisch auf die Vögel, die scheinbar mühelos in der Luft schweben, und fragt sich: "Wie machen die das nur?" Selbst heute, in Zeiten, in denen wir uns mit Hilfe von Maschinen längst selbst in die Lüfte schwingen, sind noch nicht alle Geheimnisse des Vogelfluges gelöst.
So sagen zum Beispiel quasi-statische aerodynamische Modelle voraus, dass Vögel vor allem beim Start, also bei sehr kleinen Fluggeschwindigkeiten, sehr viel Energie verbrauchen. Einmal in der Luft, sollte der Energiebedarf dann mit zunehmender Geschwindigkeit sinken, bis eine angenehme mittlere Fluggeschwindigkeit erreicht ist. Doch wenn die Vögel noch schneller werden wollen, um etwa einem Raubvogel zu entgehen, müssen sie wiederum einen anstrengenden Sprint hinlegen.
Die Leistung, welche die Brustmuskeln erbringen, sollte daher gegen die Geschwindigkeit aufgetragen ein U beschreiben. Doch als Wissenschaftler die Leistungskurve von Elstern (Pica pica) aufnahmen, erlebten sie eine Überraschung. Zwar war die Leistung beim Start, wie erwartet, sehr hoch und fiel dann schnell ab. Aber sie stieg zwischen 15 und den maximal möglichen 50 Kilometern pro Stunde nur sehr schwach an – also keine U-Form.
Läuft der Vogelflug mechanisch also anders ab, als bisher gedacht? Oder ist die Elster nur die Ausnahme von der Regel? Schwer zu sagen, ohne vergleichbare Werte von anderen Vogelarten. Diese lieferten jetzt Bret Tobalske von der University of Portland und seine Kollegen von der Harvard University und der University of Montana. Als Testobjekte dienten diesmal fünf Nymphensittiche (Nymphicus hollandicus) und drei Lachtauben (Streptopelia risoria). Diese Vogelarten können ähnlich wie Elstern maximal etwa 50 Kilometer pro Stunde fliegen. Die Leistungskurven sollten sich also theoretisch sehr ähneln.
Um diese zu bestimmen, wurden die Vögel darauf trainiert, in einem Windkanal zu fliegen. Implantierte Sensoren lieferten dabei Daten über die Belastung der Knochen und die Länge der Brustmuskeln, woraus auf die erbrachte Leistung geschlossen wurde.
Tatsächlich zeichnete sich bei den Nymphensittichen eine deutliche U-Form ab. Die Leistungskurve der Tauben dagegen war zwar ebenfalls konkav, aber doch deutlich flacher – ein Mittelding zwischen den Werten der Elstern und der Sittiche. Außerdem mussten Tauben pro Kilogramm Körpergewicht ihren Brustmuskel deutlich stärker anstrengen als die Sittiche. Vermutlich ist ihr höheres Flächengewicht - die Masse pro Einheit Flugfläche - daran Schuld.
Tobalske schließt daraus, dass die Form der Flügel, die Art ihrer Bewegung und der ganze Flugstil einen sehr starken Einfluss auf die Leistungskurve haben. Das erklärt auch, warum die Kurve der Elster so stark abweicht. Denn dieser Vogel unterscheidet sich deutlich in diesen Aspekten von Tauben und Sittichen. So besitzt er im Vergleich zu den anderen beiden Arten breitere und rundere Flügel und seine Schwanzfedern sind wesentlich länger.
Laut Tobalske erhöht sich dadurch der Luftwiderstand, den die Elstern überwinden müssen. Wahrscheinlich können sie deswegen nicht schneller als 50 Kilometer pro Stunde fliegen, obwohl die Kraft ihrer Brustmuskeln an sich auch für höhere Geschwindigkeiten ausreichen würde. Zudem legen Elstern einen ziemlich einzigartigen Flugstil an den Tag: Sie wechseln häufig die Art der Flügelbewegung, die Geschwindigkeit und ihre Flughöhe.
Es muss also noch einiges getan werden, um den Vogelflug wirklich zu ergründen, auch wenn die Modelle im Großen und Ganzen schon recht gut funktionieren. Dennoch müssen sie zum Beispiel den Luftwiderstand stärker berücksichtigen – kein leichtes Unterfangen bei Vögeln. Außerdem sollten bei weiteren biomechanischen Untersuchungen noch andere Flugmuskeln außer den Brustmuskeln miteinbezogen werden.
Und noch etwas anderes zeigten die Versuche der Wissenschaftler: Eine eigentlich völlig einleuchtende Theorie ist offenbar falsch. Bisher gingen Experten davon aus, dass die Häufigkeit des Flügelschlags und die Leistung des Brustmuskels voneinander abhängen: Viel Flügelschlag, viel Leistung – wenig Flügelschlag, wenig Leistung.
Doch laut Tobalske und seinen Kollegen ist dem nicht so. Das Minimum der Leistungskurve und das Minimum der Frequenz des Flügelschlages stimmen bei keiner der drei Vogelarten überein. Auch hier schießt die Elster – natürlich nur sprichwörtlich - den Vogel ab.
Ausgerechnet beim Schweben in der Luft erbringt ihr Brustmuskel maximale Leistung - fast ohne Flügelschlag. Das scheinbar mühelose Dahingleiten dieser Geschöpfe ist also im wahrsten Sinne des Wortes reine Knochenarbeit.
So sagen zum Beispiel quasi-statische aerodynamische Modelle voraus, dass Vögel vor allem beim Start, also bei sehr kleinen Fluggeschwindigkeiten, sehr viel Energie verbrauchen. Einmal in der Luft, sollte der Energiebedarf dann mit zunehmender Geschwindigkeit sinken, bis eine angenehme mittlere Fluggeschwindigkeit erreicht ist. Doch wenn die Vögel noch schneller werden wollen, um etwa einem Raubvogel zu entgehen, müssen sie wiederum einen anstrengenden Sprint hinlegen.
Die Leistung, welche die Brustmuskeln erbringen, sollte daher gegen die Geschwindigkeit aufgetragen ein U beschreiben. Doch als Wissenschaftler die Leistungskurve von Elstern (Pica pica) aufnahmen, erlebten sie eine Überraschung. Zwar war die Leistung beim Start, wie erwartet, sehr hoch und fiel dann schnell ab. Aber sie stieg zwischen 15 und den maximal möglichen 50 Kilometern pro Stunde nur sehr schwach an – also keine U-Form.
Läuft der Vogelflug mechanisch also anders ab, als bisher gedacht? Oder ist die Elster nur die Ausnahme von der Regel? Schwer zu sagen, ohne vergleichbare Werte von anderen Vogelarten. Diese lieferten jetzt Bret Tobalske von der University of Portland und seine Kollegen von der Harvard University und der University of Montana. Als Testobjekte dienten diesmal fünf Nymphensittiche (Nymphicus hollandicus) und drei Lachtauben (Streptopelia risoria). Diese Vogelarten können ähnlich wie Elstern maximal etwa 50 Kilometer pro Stunde fliegen. Die Leistungskurven sollten sich also theoretisch sehr ähneln.
Um diese zu bestimmen, wurden die Vögel darauf trainiert, in einem Windkanal zu fliegen. Implantierte Sensoren lieferten dabei Daten über die Belastung der Knochen und die Länge der Brustmuskeln, woraus auf die erbrachte Leistung geschlossen wurde.
Tatsächlich zeichnete sich bei den Nymphensittichen eine deutliche U-Form ab. Die Leistungskurve der Tauben dagegen war zwar ebenfalls konkav, aber doch deutlich flacher – ein Mittelding zwischen den Werten der Elstern und der Sittiche. Außerdem mussten Tauben pro Kilogramm Körpergewicht ihren Brustmuskel deutlich stärker anstrengen als die Sittiche. Vermutlich ist ihr höheres Flächengewicht - die Masse pro Einheit Flugfläche - daran Schuld.
Tobalske schließt daraus, dass die Form der Flügel, die Art ihrer Bewegung und der ganze Flugstil einen sehr starken Einfluss auf die Leistungskurve haben. Das erklärt auch, warum die Kurve der Elster so stark abweicht. Denn dieser Vogel unterscheidet sich deutlich in diesen Aspekten von Tauben und Sittichen. So besitzt er im Vergleich zu den anderen beiden Arten breitere und rundere Flügel und seine Schwanzfedern sind wesentlich länger.
Laut Tobalske erhöht sich dadurch der Luftwiderstand, den die Elstern überwinden müssen. Wahrscheinlich können sie deswegen nicht schneller als 50 Kilometer pro Stunde fliegen, obwohl die Kraft ihrer Brustmuskeln an sich auch für höhere Geschwindigkeiten ausreichen würde. Zudem legen Elstern einen ziemlich einzigartigen Flugstil an den Tag: Sie wechseln häufig die Art der Flügelbewegung, die Geschwindigkeit und ihre Flughöhe.
Es muss also noch einiges getan werden, um den Vogelflug wirklich zu ergründen, auch wenn die Modelle im Großen und Ganzen schon recht gut funktionieren. Dennoch müssen sie zum Beispiel den Luftwiderstand stärker berücksichtigen – kein leichtes Unterfangen bei Vögeln. Außerdem sollten bei weiteren biomechanischen Untersuchungen noch andere Flugmuskeln außer den Brustmuskeln miteinbezogen werden.
Und noch etwas anderes zeigten die Versuche der Wissenschaftler: Eine eigentlich völlig einleuchtende Theorie ist offenbar falsch. Bisher gingen Experten davon aus, dass die Häufigkeit des Flügelschlags und die Leistung des Brustmuskels voneinander abhängen: Viel Flügelschlag, viel Leistung – wenig Flügelschlag, wenig Leistung.
Doch laut Tobalske und seinen Kollegen ist dem nicht so. Das Minimum der Leistungskurve und das Minimum der Frequenz des Flügelschlages stimmen bei keiner der drei Vogelarten überein. Auch hier schießt die Elster – natürlich nur sprichwörtlich - den Vogel ab.
Ausgerechnet beim Schweben in der Luft erbringt ihr Brustmuskel maximale Leistung - fast ohne Flügelschlag. Das scheinbar mühelose Dahingleiten dieser Geschöpfe ist also im wahrsten Sinne des Wortes reine Knochenarbeit.
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